RU2773278C1 - Method for measuring the movements of the stamp image in digital autocollimators and a device for its implementation - Google Patents

Method for measuring the movements of the stamp image in digital autocollimators and a device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2773278C1
RU2773278C1 RU2021122839A RU2021122839A RU2773278C1 RU 2773278 C1 RU2773278 C1 RU 2773278C1 RU 2021122839 A RU2021122839 A RU 2021122839A RU 2021122839 A RU2021122839 A RU 2021122839A RU 2773278 C1 RU2773278 C1 RU 2773278C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
brand
reflector
image
angle
raster
Prior art date
Application number
RU2021122839A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Леонидович Ловчий
Original Assignee
АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП")
Filing date
Publication date
Application filed by АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") filed Critical АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП")
Application granted granted Critical
Publication of RU2773278C1 publication Critical patent/RU2773278C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention relates to measuring technology and can be used in optical instrumentation, precision engineering, metrology. The method for measuring the movements of the stamp image in digital autocollimators includes the formation of a stamp image in the form of a raster of N+1 transparent parallel slits with a monotonous discrete change in their widths, identification of the image of the stamp slits on the receiver, determination of the slit in the stamp, the angle of incidence of rays from which on the reflector relative to its normal is closest to 0, determination of the reversal angle of the reflector by the position of the center of gravity of the image of this slit on the receiver, correction of the found angle of rotation of the reflector using the correction, determined by the individual geometric and aberration parameters of the autocollimator lens.
EFFECT: multiple expansion of the measurement range of a single-coordinate autocollimator with a simultaneous multiple reduction in the systematic measurement error.
2 cl, 7 dwg

Description

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована в оптическом приборостроении, точном машиностроении, метрологии.The group of inventions relates to measuring technology and can be used in optical instrumentation, precision engineering, metrology.

Традиционная схема автоколлиматора для определения углового положения объекта содержит осветитель, марку, находящуюся в фокальной плоскости объектива, светоделитель, объектив, контрольный отражающий элемент (отражатель) в виде плоского зеркала или отражающей призмы, расположенный на контролируемом объекте, фотоэлектрический приемник в виде ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы, находящийся в плоскости, сопряженной с плоскостью марки [1].The traditional scheme of an autocollimator for determining the angular position of an object contains an illuminator, a mark located in the focal plane of the lens, a beam splitter, a lens, a control reflective element (reflector) in the form of a flat mirror or a reflecting prism located on the controlled object, a photoelectric receiver in the form of a CCD array or CCD matrix, located in a plane conjugated with the plane of the mark [1].

Измерение угловой подвижки отражателя относительно визирной оси автоколлиматора осуществляется путем регистрации величины сдвига центра тяжести изображения марки в плоскости приемника относительно положения его фоточувствительных пикселей.The measurement of the angular displacement of the reflector relative to the sighting axis of the autocollimator is carried out by registering the shift of the center of gravity of the image of the mark in the plane of the receiver relative to the position of its photosensitive pixels.

В некоторых применениях требуется измерение угла лишь по одной координате. В этом случае целесообразнее в качестве приемника использовать ПЗС-линейку, обладающую более высокими быстродействием и надежностью, меньшими тепловыделением и тепловыми искажениями геометрии фоточувствительного прибора в процессе измерений, меньшим временем готовности к измерениям, более простым алгоритмом обработки информации, а также имеющую в сравнении с ПЗС-матрицей меньшую стоимость.Some applications require angle measurements in only one coordinate. In this case, it is more expedient to use a CCD array as a receiver, which has higher speed and reliability, lower heat generation and thermal distortions of the geometry of the photosensitive device during measurements, shorter measurement readiness time, a simpler information processing algorithm, and also has, in comparison with CCDs, -matrix lower cost.

Основные параметры автоколлиматора: диапазон и точность угловых измерений, - взаимосвязаны и зависят от фокусного расстояния объектива, его аберраций, диаметра входного зрачка, размеров пикселей приемника, дистанции до зеркала. Обычно чем шире диапазон, тем больше допустимая погрешность измерений. Однако для решения некоторых практических задач требуется универсальный широкодиапазонный автоколлиматор с повышенной точностью измерений в центральной части диапазона. Такой автоколлиматор может иметь объектив с дискретным изменением фокусного расстояния для реализации двух режимов работы: предварительная наводка на отражатель в широком диапазоне через короткофокусный объектив и окончательная наводка с высокой точностью угловых измерений через длиннофокусный объектив [2], либо относительно короткофокусный объектив для реализации широкого диапазона измерений. При этом для повышения точностных характеристик используются специальные форма марки и алгоритм обработки измерительных сигналов [3], либо длиннофокусный объектив, обеспечивающий высокую точность измерений в относительно небольшом диапазоне, а для расширения диапазона измерений используется отражатель в виде многогранного зеркала [4], либо длиннофокусный объектив и отражатель в виде уголкового отражателя с малым отклонением одного из двухгранных углов от 90° и дополнительным отражающим покрытием на передней гране призмы, при отражении от которого в плоскости приемника формируются автоколлимационные изображения марки с разными коэффициентами преобразования углового смещения в линейное [5].The main parameters of the autocollimator: the range and accuracy of angular measurements, are interrelated and depend on the focal length of the lens, its aberrations, the diameter of the entrance pupil, the size of the receiver pixels, and the distance to the mirror. Generally, the wider the range, the greater the allowable measurement error. However, to solve some practical problems, a universal wide-range autocollimator with increased measurement accuracy in the central part of the range is required. Such an autocollimator can have a lens with a discrete change in focal length to implement two modes of operation: preliminary focusing on a reflector in a wide range through a short-focus lens and final focusing with a high accuracy of angular measurements through a long-focus lens [2], or a relatively short-focus lens to implement a wide measurement range . In this case, to improve the accuracy characteristics, a special brand shape and an algorithm for processing measuring signals [3], or a long-focus lens that provides high measurement accuracy in a relatively small range, are used, and to expand the measurement range, a reflector in the form of a polyhedral mirror [4] or a long-focus lens is used. and a reflector in the form of a corner reflector with a small deviation of one of the dihedral angles from 90° and an additional reflective coating on the front face of the prism, upon reflection from which autocollimation images of the mark are formed in the receiver plane with different coefficients for converting the angular displacement into a linear one [5].

Перечисленные варианты обладают рядом недостатков: сложностью конструктивной реализации автоколлимационного устройства в целом или его составных частей, либо невысокой точностью измерений, в том числе и по центру углового диапазона.The listed options have a number of disadvantages: the complexity of the constructive implementation of the autocollimation device as a whole or its components, or the low accuracy of measurements, including in the center of the angular range.

Известен способ измерения перемещений изображения марки, выбранный в качестве прототипа по решаемой задаче [Пат. РФ №2602414, МПК G01B 11/26, G02B 27/30, приор. 10.06.2015 г.], включающий формирование в плоскости многоэлементного приемника излучения изображения марки в виде линейчатого растра, ширину боковых штрихов которого выбирают равной ширине элементов приемника излучения, а ширину центрального штриха выбирают равной удвоенной ширине остальных штрихов растра, далее измеряют сигналы с засвеченных элементов, запоминают их, фиксируют элемент, на котором сигнал отсутствует, на основе полученных данных вычисляют приближенное перемещение марки, определяют положение энергетического центра тяжести изображения линейчатого растра и с учетом полученного положения энергетического центра тяжести определяют величину перемещения изображения марки. Технический результат заключается в повышении точности за счет увеличения диапазона измерений и упрощении конструкции устройства.A known method of measuring the movement of the brand image, selected as a prototype for the problem being solved [US Pat. RF No. 2602414, IPC G01B 11/26, G02B 27/30, prior. 06/10/2015], which includes the formation in the plane of the multi-element radiation receiver of the image of the brand in the form of a line raster, the width of the side strokes of which is chosen equal to the width of the elements of the radiation receiver, and the width of the central stroke is chosen equal to twice the width of the remaining strokes of the raster, then the signals from the illuminated elements are measured , memorizing them, fixing the element on which the signal is absent, based on the obtained data, the approximate movement of the mark is calculated, the position of the energy center of gravity of the image of the line raster is determined, and, taking into account the position of the energy center of gravity, the amount of movement of the mark image is determined. The technical result consists in increasing the accuracy by increasing the measurement range and simplifying the design of the device.

Проблемами описанного способа является:The problems of the described method are:

- большая вероятность потери информации вследствие высокой пространственной частоты линейчатого растра, которая при увеличении измеряемого угла и (или) расстояния до отражателя с учетом конечных аберраций реального объектива может привести к «заплыванию»1 (1 Под термином «заплывание» мы понимаем превышение величины сигналов с чувствительных элементов линейки некоего заранее установленного порогового уровня.) промежутков между сигналами приемника, а значит к искажению или к полной потере информации о положении экранируемого пикселя;- a high probability of information loss due to the high spatial frequency of the line raster, which, with an increase in the measured angle and (or) distance to the reflector, taking into account the finite aberrations of the real lens, can lead to "floating" 1 ( 1 By the term "floating" we mean an excess of the magnitude of signals with sensitive elements of the line of some predetermined threshold level.) gaps between the signals of the receiver, and hence to distortion or complete loss of information about the position of the screened pixel;

- небольшой диапазон измерения перемещений изображения марки, ограниченный условием «невыхода» изображения затененного участка изображения марки за пределы ПЗС-линейки;- a small range of measurement of movement of the image of the brand, limited by the condition of "non-exit" of the image of the shaded area of the image of the brand beyond the CCD line;

- несоответствие измеренного перемещения марки истинному углу поворота отражателя вследствие конечных аберрационных искажений изображения марки реальным объективом при больших измеряемых углах и расстояниях до отражателя, т.е. сами измерения являются некорректными.- discrepancy between the measured movement of the mark and the true angle of rotation of the reflector due to finite aberrational distortions of the mark image by a real lens at large measured angles and distances to the reflector, i.e. the measurements themselves are incorrect.

Известно фотоэлектрическое автоколлимационное устройство, выбранное в качестве прототипа по решаемой задаче (Авторское свидетельство СССР №1737264А1, МПК G01B 11/26, приор. 05.04.1990 г.). Устройство включает осветитель, оптически сопряженную с фотоприемником через промежуточные плоское и кольцевое зеркала щелевую диафрагму, выполненную в виде набора щелевых диафрагм, расположенных по обе стороны от центральной щелевой диафрагмы и имеющих разную ширину, на величину δ и Δ относительно центральной диафрагмы, основной объектив, размещенный на контролируемом объекте отражательный элемент, дополнительный объектив и два промежуточных плоских зеркала. Шаг между центрами щелевых диафрагм выполнен таким, чтобы шаг между центрами изображений диафрагм на линейке был немного меньше размера ПЗС-линейки. В исходном положении центральная щелевая диафрагма проецируется на линейке приемника в центре (на центральном приемном элементе). Блок опроса ПЗС и электронный блок в виде микропроцессора обрабатывают полученные сигналы с ПЗС-линейки и регистрируют положение изображения диафрагмы с высокой точностью. При рассогласовании контролируемого объекта с оптическим устройством контроля его положения происходит пропорциональное смещение изображения центральной щелевой диафрагмы вдоль линейки ПЗС-фотоприемника, которое при определенной величине рассогласования будет превышать геометрическую длину линейки. Но в момент выхода изображения центральной щелевой диафрагмы за пределы светочувствительной линейки ПЗС-приемника на другом ее конце появится изображение первой дополнительной щелевой диафрагмы. Если за пределы линейки приемника выйдет изображение первой дополнительной диафрагмы, то появится изображение второй дополнительной диафрагмы. Блок опроса ПЗС-линейки и микропроцессор идентифицируют и вычисляют расстояние между изображениями диафрагм и с их учетом выдают результаты определения угла поворота отражателя. Все это повышает чувствительность устройства на 30%, а пределы контролируемого параметра смещения отражателя (объекта) - в два раза.Known photoelectric autocollimation device, selected as a prototype for the problem being solved (USSR author's certificate No. 1737264A1, IPC G01B 11/26, prior. 04/05/1990). The device includes an illuminator optically coupled to a photodetector through intermediate flat and annular mirrors, a slit diaphragm, made in the form of a set of slit diaphragms located on both sides of the central slit diaphragm and having different widths, by δ and Δ relative to the central diaphragm, the main lens placed a reflective element, an additional lens and two intermediate flat mirrors on the controlled object. The step between the centers of the slit diaphragms is made in such a way that the step between the centers of the images of the diaphragms on the ruler is slightly smaller than the size of the CCD ruler. In the initial position, the central slit diaphragm is projected onto the receiver line in the center (on the central receiving element). The CCD polling unit and the electronic unit in the form of a microprocessor process the received signals from the CCD array and register the position of the aperture image with high accuracy. When the controlled object misaligns with the optical device for monitoring its position, the image of the central slit diaphragm is proportionally shifted along the line of the CCD photodetector, which, at a certain amount of mismatch, will exceed the geometric length of the line. But at the moment the image of the central slit diaphragm leaves the photosensitive line of the CCD receiver, an image of the first additional slit diaphragm will appear at its other end. If the image of the first additional diaphragm goes beyond the line of the receiver, then the image of the second additional diaphragm will appear. The interrogating block of the CCD-line and the microprocessor identify and calculate the distance between the images of the diaphragms and, taking them into account, give the results of determining the angle of rotation of the reflector. All this increases the sensitivity of the device by 30%, and the limits of the controlled reflector (object) displacement parameter are doubled.

Проблемами описанного устройства являются:The problems of the described device are:

- значительные ошибки определения угла поворота отражателя по координатам изображения лишь одной из набора щелевых диафрагм с учетом конечных аберраций объективов;- significant errors in determining the angle of rotation of the reflector from the image coordinates of only one of the set of slit diaphragms, taking into account the finite aberrations of the lenses;

- сложность конструкции в целом вследствие значительного числа оптических элементов на дистанции от щелевой диафрагмы до ПЗС-приемника, приводящего к росту ошибки позиционирования изображения марки на приемнике даже при весьма незначительных (по отдельности) вариациях положений элементов в оптическом тракте (например, вследствие неизбежных температурных колебаний геометрии корпуса прибора).- the complexity of the design as a whole due to a significant number of optical elements at a distance from the slit diaphragm to the CCD receiver, leading to an increase in the positioning error of the brand image on the receiver even with very slight (individually) variations in the positions of the elements in the optical path (for example, due to inevitable temperature fluctuations body geometry).

Мной в процессе исследований было установлено, что использование марки в виде растра из N+1 прозрачных щелей с равномерным распределением их центров вдоль марки и монотонным дискретным изменением их ширин, например, на ширину пикселя ПЗС-линейки, позволяет выбрать из отдельных изображений щелей марки на приемнике наименее искаженное аберрациями объектива изображение, положение центра тяжести которого на ПЗС-линейке наиболее близко соответствует углу поворота отражателя. Для осуществления этого необходимо: выбрать минимальные ширину щели и расстояние между соседними щелями в несколько раз больше размера пикселя, а общий размер растра щелей приблизительно равным размеру линейки;In the process of research, I found that the use of a brand in the form of a raster of N + 1 transparent slits with a uniform distribution of their centers along the brand and a monotonous discrete change in their widths, for example, by the width of a CCD line pixel, allows you to select from individual images of the brand slits on the receiver image is the least distorted by lens aberrations, the position of the center of gravity of which on the CCD ruler most closely matches the angle of rotation of the reflector. To implement this, it is necessary: to choose the minimum width of the slit and the distance between adjacent slits several times greater than the pixel size, and the total size of the raster of slits is approximately equal to the size of the ruler;

- идентифицировать изображения щелей на ПЗС-линейке и определить конкретную щель на марке, световые лучи от которой падают на отражатель с минимальным углом относительно его нормали;- to identify images of slits on the CCD ruler and determine the specific slit on the stamp, the light rays from which fall on the reflector with a minimum angle relative to its normal;

- выделить из общего изображения марки на приемнике изображение от найденной конкретной щели;- extract from the general image of the brand on the receiver the image from the found specific slot;

- использовать сдвиг выделенного изображения на ПС3-линейке в качестве индикатора угла поворота отражателя.- use the shift of the selected image on the PS3 ruler as an indicator of the angle of rotation of the reflector.

Используя выделенное изображение на ПЗС-линейке для определения угла поворота отражателя с применением корректирующей поправки, определяемой индивидуальными геометрическими и аберрационными параметрами объектива автоколлиматора, можно существенно (в несколько раз) увеличить диапазон угловых измерений автоколлиматора по сравнению с автоколлиматором с маркой из одиночной щели, и значительно (в несколько раз) уменьшить ошибку определения угла поворота отражателя по всему диапазону угловых измерений.Using the selected image on the CCD ruler to determine the angle of rotation of the reflector using a corrective correction determined by the individual geometric and aberration parameters of the autocollimator lens, it is possible to significantly (several times) increase the range of angular measurements of the autocollimator compared to an autocollimator with a mark from a single slit, and significantly (several times) reduce the error in determining the angle of rotation of the reflector over the entire range of angular measurements.

Решаемой проблемой заявленной группы изобретений является увеличение диапазона однокоординатных угловых измерений и обеспечение высокой точности измерений.The problem to be solved by the claimed group of inventions is to increase the range of single-coordinate angular measurements and ensure high measurement accuracy.

Поставленные задачи решаются тем, чтоThe tasks are solved by

- в способе, включающем формирование изображение марки в виде растра штрихов в плоскости многоэлементного приемника излучения, новым является то, что марку выбирают в виде растра из N+1 прозрачных параллельных щелей с монотонным дискретным изменением их ширин, ширину растра выбирают не более размера ПЗС-линейки, минимальные ширину щели и расстояние между соседними щелями выбирают в несколько раз больше размера пикселя ПЗС-линейки, идентифицируют изображения щелей марки на ПЗС-линейке2 (2 Под термином идентификация мы подразумеваем установление однозначного соответствия между щелями марки и их изображениями на ПЗС-линейке.), по положениям центров тяжести изображений щелей для каждого k-го изображения щели марки вычисляют ориентировочный угол ϕk разворота отражателя по формуле:- in the method, including the formation of the image of the brand in the form of a raster of strokes in the plane of a multi-element radiation receiver, the novelty is that the brand is selected in the form of a raster of N + 1 transparent parallel slots with a monotonous discrete change in their widths, the width of the raster is chosen no more than the size of the CCD; rulers, the minimum width of the slit and the distance between adjacent slits are chosen several times greater than the pixel size of the CCD ruler, the images of the brand slits on the CCD ruler are identified .), according to the positions of the centers of gravity of the images of the slots for each k-th image of the slot of the brand, the approximate angle ϕ k of the turn of the reflector is calculated by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где:where:

δk - сдвиг k-й щели в марке относительно ее центра, мм;δ k - shift of the k-th slot in the brand relative to its center, mm;

ЦТk - положение центра тяжести изображения3 (3 Подходы к определению ЦТ изображения на линейке известны.) k-й щели на ПЗС-линейке относительно ее центра при развороте отражателя на угол ϕ относительно визирной оси АК, мм;CG k - position of the center of gravity of the image 3 ( 3 Approaches to determining the CG of the image on the ruler are known.) k-th slit on the CCD ruler relative to its center when the reflector is turned at an angle ϕ relative to the sighting axis of the AK, mm;

F - фокусное расстояние объектива АК, мм;F - focal length of the AK lens, mm;

для вычисленных ориентировочных углов разворота отражателя определяют среднее значение угла

Figure 00000002
, по величине сдвига δi, ближайшей к произведению F tan
Figure 00000003
, определяют i-ю щель в марке, угол падения световых лучей от которой на отражатель относительно его нормали наиболее близок к 0, вычисленное в соответствии с (1) значение угла ϕi для найденной щели марки используют в качестве величины измеренного угла, для уточнения этой величины применяют корректирующую поправку, определяемую индивидуальными геометрическими и аберрационными параметрами объектива автоколлиматора;for the calculated approximate angles of turn of the reflector, the average value of the angle is determined
Figure 00000002
, according to the shift value δ i , closest to the product F tan
Figure 00000003
, determine the i-th slot in the brand, the angle of incidence of light rays from which on the reflector relative to its normal is closest to 0, calculated in accordance with (1) the value of the angle ϕ i for the found slot of the brand is used as the measured angle value, to refine this the values apply a corrective correction determined by the individual geometric and aberration parameters of the autocollimator lens;

- в устройстве, содержащем осветитель, марку в виде растра щелевых диафрагм, объектив, отражатель, установленный на контролируемом объекте, ПЗС-линейку, блок опроса ПЗС и электронный блок, новым является то, что растр щелевых диафрагм выбран в виде растра из Ν+1 прозрачных параллельных щелей с монотонным дискретным изменением их ширин, размер растра выбран не более размера ПЗС-линейки, минимальные ширина щели и расстояние между соседними щелями выбраны в несколько раз больше размера пикселя ПЗС-линейки, блок опроса ПЗС и электронный блок выполнены в виде блока управления и обработки сигналов, определяющего величину измеряемого угла поворота отражателя с учетом корректирующей поправки, заложенной в его память.- in a device containing an illuminator, a brand in the form of a raster of slit diaphragms, a lens, a reflector installed on a controlled object, a CCD array, a CCD interrogation unit and an electronic unit, what is new is that the raster of slit diaphragms is selected in the form of a raster from N + 1 transparent parallel slits with a monotonous discrete change in their widths, the raster size is chosen no more than the size of the CCD line, the minimum width of the slit and the distance between adjacent slits are selected several times greater than the pixel size of the CCD line, the CCD interrogator and the electronic unit are made in the form of a control unit and signal processing, which determines the value of the measured angle of rotation of the reflector, taking into account the corrective amendment stored in its memory.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена блок-схема автоколлимационного устройства, где последовательно установленные вдоль оптической оси источник 1 излучения, конденсор 2, марка 3 в виде растра прозрачных параллельных щелей с монотонным дискретным изменением их ширин, призменный блок 4 со светоделительной гранью 5, объектив 6, установленный на контролируемом объекте отражатель 7, например в виде плоского зеркала, многоэлементный приемник 8 излучения, например, в виде ПЗС-линейки, блок управления и обработки сигналов 9. Марка 3 и многоэлементный приемник 8 излучения установлены в фокальных сопряженных плоскостях объектива 6; двунаправленная стрелка

Figure 00000004
между блок управления и обработки сигналов и ПЗС-линейкой обозначает обмен управляющими и измерительными сигналами.Figure 1 shows a block diagram of an autocollimation device, where a radiation source 1, a condenser 2, a mark 3 in the form of a raster of transparent parallel slits with a monotonous discrete change in their widths, a prism block 4 with a beam-splitting face 5, an objective 6, installed in series along the optical axis, is a radiation source 1, a condenser 2, a reflector 7 mounted on a controlled object, for example in the form of a flat mirror, a multi-element radiation receiver 8, for example, in the form of a CCD-line, a control and signal processing unit 9. Brand 3 and a multi-element radiation receiver 8 are installed in the focal conjugate planes of the lens 6; double arrow
Figure 00000004
between the control and signal processing unit and the CCD line indicates the exchange of control and measurement signals.

На фиг.2 представлена схема автоколлиматора с прорисовкой хода лучей от прозрачных щелей 1 марки через объектив 2 до ПЗС-линейки 3 с промежуточным отражением от нормально расположенного относительно визирной оси автоколлиматора отражателя 4, где полые стрелки обозначают ход лучей от центральной щели марки, а сплошные стрелки - ход лучей от одной из периферийных шелей, F - фокусное расстояние объектива, L - расстояние от объектива до зеркала.Figure 2 shows a diagram of the autocollimator with drawing the path of rays from transparent slits 1 brand through the lens 2 to the CCD line 3 with intermediate reflection from the reflector 4 normally located relative to the sighting axis of the autocollimator, where the hollow arrows indicate the path of the rays from the central slit of the brand, and solid arrows - path of rays from one of the peripheral slots, F - focal length of the lens, L - distance from the lens to the mirror.

На фиг.3 представлена условная схема автоколлиматора с прорисовкой хода лучей от прозрачных щелей 1 марки через объектив 2 до ПЗС-линейки 3 с промежуточным отражением от развернутого на угол ϕ отражателя 4, где полые стрелки обозначают ход лучей от центральной щели марки, а сплошные стрелки - ход лучей от одной из периферийных шелей, ϕ - угол разворота отражателя, S0(ϕ) и Si(ϕ) - смещение центров тяжести изображений центральной и i-ой щелей при развороте отражателя, соответственно.Figure 3 shows a conditional diagram of an autocollimator with drawing the path of rays from transparent slits 1 of the brand through lens 2 to the CCD line 3 with intermediate reflection from a reflector 4 deployed at an angle ϕ, where hollow arrows indicate the path of rays from the central slit of the brand, and solid arrows - beam path from one of the peripheral slots, ϕ - reflector turn angle, S 0 (ϕ) and S i (ϕ) - displacement of the centers of gravity of images of the central and i-th slots when the reflector is turned, respectively.

На фиг.4, 5, 6 представлены результаты расчетов систематических ошибок угловых измерений для автоколлиматора, описанного в [7], для двух реализаций формы марки: одиночная прозрачная щель (массив точек 1-1) или растр прозрачных параллельных щелей (массив точек 2-2 и 3-3), при расстояниях до отражателя 50, 500 и 1000 мм, соответственно.Figures 4, 5, 6 show the results of calculations of systematic errors of angular measurements for the autocollimator described in [7], for two realizations of the brand shape: a single transparent slit (an array of points 1-1) or a raster of transparent parallel slits (an array of points 2- 2 and 3-3), at distances to the reflector of 50, 500 and 1000 mm, respectively.

На фиг.7 представлены результаты расчетов систематических ошибок угловых измерений для автоколлиматора с 3-х линзовым телеобъективом, описанного в [8] (задача 19.2), для двух реализаций формы марки: одиночная прозрачная щель (массивы крупных полых точек 1-1, 2-2, 3-3 и 4-4 при расстояниях до отражателя 50, 500, 1000 и 2000 мм, соответственно) или растр прозрачных параллельных щелей (массив мелких точек 5-5 для дистанций до отражателя от 50 до 2000 мм).Figure 7 presents the results of calculations of systematic errors of angular measurements for an autocollimator with a 3-lens telephoto lens, described in [8] (task 19.2), for two realizations of the brand shape: a single transparent slit (arrays of large hollow points 1-1, 2- 2, 3-3 and 4-4 at distances to the reflector of 50, 500, 1000 and 2000 mm, respectively) or a raster of transparent parallel slots (an array of small dots 5-5 for distances to the reflector from 50 to 2000 mm).

Суть заявляемого способа измерения перемещения марки заключается в следующем. При малом расстоянии до нормально расположенного зеркала (L~F) (фиг.2) лучи от щелей марки, показанных на рисунке в виде точечных диафрагм (вид сверху), строят изображения щелей на приемнике практически без искажений, поскольку лучи проходят вблизи центра объектива и под небольшими углами относительно его оси.The essence of the proposed method for measuring the movement of the brand is as follows. At a small distance to a normally located mirror (L ~ F) (Fig. 2), the rays from the slits of the brand, shown in the figure as pinholes (top view), build images of the slits on the receiver with virtually no distortion, since the rays pass near the center of the lens and at small angles with respect to its axis.

При увеличении расстояния L лучи от периферийных щелей после отражения сдвигаются к краю объектива и углы «изломов» траекторий при его прохождении растут. Аберрации наклонных пучков приводят к заметным искажениям изображений щелей марки, причем в общем случае чем дальше от оси расположена щель, тем сильнее искажения ее изображения. Искажения изображения центральной щели остаются минимальными и практически не зависящими от расстояния. Таким образом, фиксацию нулевого угла разворота зеркала следует проводить по анализу изображения центральной щели.With an increase in the distance L, the rays from the peripheral slits after reflection move to the edge of the lens and the angles of the “kinks” of the trajectories increase during its passage. Aberrations of inclined beams lead to noticeable distortions in the images of the slits of the mark, and in the general case, the farther from the axis the slit is located, the stronger the distortion of its image. Distortions in the image of the central slit remain minimal and virtually independent of distance. Thus, fixing the zero angle of rotation of the mirror should be carried out by analyzing the image of the central slit.

Ситуация меняется при развороте зеркала. Допустим, зеркало развернуто относительно оси объектива на угол ϕ (фиг.3). Положение центра тяжести изображения центральной щели смещается в плоскости приемника на величину S0(ϕ). При увеличении расстояния L отраженные от зеркала лучи центральной щели сдвигаются к краю объектива, аберрации наклонных пучков растут и искажают проекцию щели в плоскости приемника. Это приводит к изменению величины S0(ϕ) и росту ошибки измерения угла ϕ. Предположим, что для данного угла ϕ лучи от i-й щели марки падают на зеркало нормально, т.е. отраженные лучи накладываются на исходные. Тогда траектории прохождения лучей через объектив слабо зависят от расстояния до зеркала и смещение проекции щели Si(ϕ) (относительно ее условного начального изображения в идеальной, безаберрационной оптической системе) остается почти неизменным. Таким образом, данный конкретный угол ϕ с точки зрения погрешности его автоколлимационного измерения следует определять по анализу изображения i-й щели в плоскости приемника, т.е. по смещению Si(ϕ). При произвольном угле разворота зеркала измерения целесообразно проводить по анализу изображения той из щелей, угол падения лучей от которой на зеркало наиболее близок к π/2. Адекватные результаты измерения в полном диапазоне разворота зеркала будут иметь место при адаптивном выделении из всех проекций щелей нужного для анализа изображения. Очевидно, что в этом случае щели в марке должны быть «окрашенными», т.е. различаться по ширине таким образом, чтобы их изображения надежно идентифицировались в плоскости приемника. Например, ширины щелей марки дискретно изменяются на ширину пикселя линейки. При эквидистантном положении на марке центров щелей расстояния между щелями также дискретно меняются на эту же величину, что также способствует правильной идентификации изображений щелей марки на линейке.The situation changes when the mirror is turned. Let's say the mirror is rotated relative to the lens axis at an angle ϕ (figure 3). The position of the center of gravity of the image of the central slit is shifted in the plane of the receiver by the value S 0 (ϕ). As the distance L increases, the rays of the central slit reflected from the mirror shift to the edge of the objective, the aberrations of the inclined beams grow and distort the projection of the slit in the plane of the receiver. This leads to a change in the value of S 0 (ϕ) and an increase in the measurement error of the angle ϕ. Let us assume that for a given angle ϕ the rays from the ith slit of the brand fall on the mirror normally, i.e. the reflected rays are superimposed on the original ones. Then the trajectories of the passage of rays through the lens weakly depend on the distance to the mirror, and the shift of the slit projection S i (ϕ) (relative to its conditional initial image in an ideal, aberration-free optical system) remains almost unchanged. Thus, this particular angle ϕ, in terms of the error of its autocollimation measurement, should be determined by analyzing the image of the ith slit in the plane of the receiver, i.e. by displacement S i (ϕ). At an arbitrary angle of the mirror's turn, it is expedient to carry out measurements by analyzing the image of that of the slits, the angle of incidence of rays from which on the mirror is closest to π/2. Adequate measurement results in the full range of the mirror turn will be obtained with adaptive selection of the image required for analysis from all projections of the slits. It is obvious that in this case the gaps in the stamp should be "colored", i.e. vary in width so that their images are reliably identified in the plane of the receiver. For example, the slit widths of the mark are discretely changed by the pixel width of the ruler. With equidistant position on the mark of the centers of the slots, the distances between the slots also discretely change by the same value, which also contributes to the correct identification of the images of the slots of the mark on the ruler.

Расчет характеристик автоколлиматора (АК) с использованием предложенного способа измерений проведем для описанного в [7] АК с 7-ми линзовым телеобъективом с фокусным расстоянием и диаметром входного зрачка 142 и 43 мм. В качестве приемника в [7] использовалась ПЗС-линейка из 1024 пикселей с шириной/высотой вдоль линейки 13/150 мкм. Для измерения угла в горизонтальной плоскости использовался одиночный прозрачный штрих марки шириной 140 мкм. В диапазоне угловых измерений ±10' экспериментально измеренная ошибка не превышала ±0,7''.We will calculate the characteristics of the autocollimator (AC) using the proposed measurement method for the AC described in [7] with a 7-lens teleobjective with a focal length and an entrance pupil diameter of 142 and 43 mm. A CCD array of 1024 pixels with a width/height along the array of 13/150 μm was used as a receiver in [7]. To measure the angle in the horizontal plane, a single transparent stroke of the brand with a width of 140 µm was used. In the range of angular measurements of ±10', the experimentally measured error did not exceed ±0.7''.

Для параметров используемого в АК телеобъектива методом Монте-Карло путем случайной трассировки лучей через все оптические элементы был проведен расчет возможных систематических ошибок угловых измерений вследствие конечных аберрационных искажений световых пучков при прохождении по оптическому тракту АК с промежуточным отражением от дистанционно установленного отражателя.For the parameters of the teleobjective used in the AC, the Monte Carlo method by random ray tracing through all optical elements was used to calculate possible systematic errors in angular measurements due to finite aberrational distortions of light beams when passing through the optical path of the AC with intermediate reflection from a remotely mounted reflector.

Результаты моделирования реакции АК с маркой из 13 прозрачных штрихов с дистанциями между центрами 1 мм, шириной от 100 до 220 мкм, шагом дискретизации 10 мкм, для разных алгоритмов обработки измерительных сигналов при дистанции до зеркала L=50 мм представлены на фиг.4. Отражатель расположен вертикально и разворачивается в горизонтальной плоскости в диапазоне ±150' через 1'. Массив точек 1-1 отражают результаты при обработке изображения только центрального штриха марки и соответствуют реакции типичного АК с маркой в виде одиночного штриха. Массив точек 2-2 соответствуют способу определения угла с адаптивным выделением из всех проекций штрихов нужного для анализа изображения i-го штриха, и, соответственно, нужного значения вычисленного угла ϕi. Как видно из рисунка, в диапазоне выдачи угловой информации по изображению центрального штриха (диапазон точек 1-1) использование метода с адаптивным выделением оптимального для анализа изображения приводит примерно к десятикратному снижению систематической ошибки измерений при одновременном, почти двукратном расширении общего диапазона измерений (точки 2-2). Для частичной коррекции ошибок по краям расширенного диапазона может быть использована дополнительная поправочная функция. В частности, для моделируемого объектива хороший результат дает замена в выражении (1) суммы арктангенсов от аргументов на арктангенс от суммы аргументов:The results of modeling the reaction of AK with a brand of 13 transparent strokes with distances between centers of 1 mm, a width of 100 to 220 μm, a sampling step of 10 μm, for different algorithms for processing measuring signals at a distance to the mirror L=50 mm are shown in Fig.4. The reflector is located vertically and rotates in the horizontal plane in the range of ±150' through 1'. The array of points 1-1 reflects the results when processing the image of only the central stroke of the brand and corresponds to the reaction of a typical AK with a brand in the form of a single stroke. An array of points 2-2 correspond to the method of determining the angle with adaptive selection from all projections of the strokes of the i-th stroke required for image analysis, and, accordingly, the desired value of the calculated angle ϕ i . As can be seen from the figure, in the range of issuing angular information on the image of the central stroke (range of points 1-1), the use of the method with adaptive selection of the image optimal for analysis leads to an approximately tenfold decrease in the systematic measurement error with a simultaneous, almost twofold expansion of the total measurement range (points 2 -2). For partial error correction at the edges of the extended range, an additional correction function can be used. In particular, for a simulated lens, a good result is obtained by replacing in expression (1) the sum of the arc tangents of the arguments by the arc tangent of the sum of the arguments:

Figure 00000005
Figure 00000005

Массив точек 3-3 рисунка отражает результат при осуществлении указанной коррекции.The array of points 3-3 of the figure reflects the result of the implementation of the specified correction.

Поскольку, как отмечалось выше, положение центра тяжести изображения оптимального i-го штриха слабо зависит от расстояния до отражателя, то выражение (2) может быть использовано для коррекции систематической ошибки и на других дистанциях. На фиг.5 и 6 представлены результаты моделирования для дистанций до отражателя L=500 мм и L=1000 мм, соответственно.Since, as noted above, the position of the center of gravity of the image of the optimal i-th stroke weakly depends on the distance to the reflector, expression (2) can be used to correct the systematic error at other distances as well. Figures 5 and 6 show the simulation results for distances to the reflector L=500 mm and L=1000 mm, respectively.

При увеличении дистанции до зеркала выигрыш в части кратности расширения диапазона измерений при использовании адаптивного алгоритма растет, поскольку вследствие виньетирования обратно отраженного пучка диапазон выдачи угловой информации по центральному штриху падает с ±79' до±35'.With an increase in the distance to the mirror, the gain in terms of the multiplicity of the measurement range expansion when using the adaptive algorithm increases, since due to the vignetting of the backscattered beam, the range of outputting angular information along the central stroke drops from ±79' to ±35'.

Систематическая ошибка при обработке изображения центрального штриха составляет ±26'', но в диапазоне ±35' она для всех дистанций не превышает ±7'', при этом в диапазоне ±10' она менее ±1'' (что коррелирует с параметрам АК в [7]), а в диапазоне ±6' - менее ±0,1''. В диапазоне ±150' систематическая ошибка измерений по скорректированному адаптивному алгоритму для всех дистанций не превышает ±4''. В диапазоне ±12' угловая информация определяется по изображению центрального штриха с соответствующими ошибками.The systematic error in processing the image of the central stroke is ±26'', but in the range of ±35' it does not exceed ±7'' for all distances, while in the range of ±10' it is less than ±1'' (which correlates with the AC parameters in [7]), and in the range of ±6' - less than ±0.1''. In the range of ±150', the systematic error of measurements according to the corrected adaptive algorithm for all distances does not exceed ±4''. In the range of ±12', the angular information is determined from the image of the central stroke with the corresponding errors.

Таким образом, применение предложенного способа измерений перемещений изображения марки позволяет для анализируемого АК в диапазоне расстояний до отражателя от 50 до 1000 мм расширить диапазон угловых измерений в 150735' ≈ 4,3 раза при уменьшении систематической погрешности в 2674''=6,5 раз, при сохранении исходной высокой точности измерений по центру углового диапазона.Thus, the application of the proposed method for measuring the movements of the brand image allows for the analyzed AK in the range of distances to the reflector from 50 to 1000 mm to expand the range of angular measurements by 150735' ≈ 4.3 times while reducing the systematic error by 2674'' = 6.5 times, while maintaining the original high measurement accuracy in the center of the angular range.

Аналогичное расчетное моделирование было проведено для АК с 3-х линзовым телеобъективом с параметрами, описанными в [8] (задача 19.2), при расстоянии до отражателя от 50 до 2000 мм, в диапазоне угловых измерений ±60' (фиг.7). Фокусное расстояние объектива 320 мм, световой диаметр положительной склейки линз при моделировании принимался равным 42 мм, отрицательной линзы - 14 мм. В качестве марки при моделировании использовался растр из 27 прозрачных штрихов шириной от 40 до 300 мкм с шагом дискретизации 10 мкм и расстоянием между центрами штрихов 500 мкм. На рисунке представлены результаты моделирования систематических ошибок АК. Массивы крупных полых точек 1-1, 2-2, 3-3 и 4-4 отражают, соответственно, результаты моделирования систематической ошибки с вычислениями по центральному штриху марки при расстоянии до отражателя 50, 500, 1000 и 2000 мм, массив мелких точек 5-5 отражает варьирование результатов измерений на четырех дистанциях с вычислениями по оптимальным (с использованием адаптивного алгоритма) штрихам марки.A similar computational simulation was carried out for an AK with a 3-lens telephoto lens with the parameters described in [8] (task 19.2), at a distance to the reflector from 50 to 2000 mm, in the range of angular measurements of ±60' (Fig. 7). The focal length of the lens is 320 mm, the light diameter of the positive gluing of the lenses in the simulation was taken equal to 42 mm, the negative lens - 14 mm. A raster of 27 transparent strokes with a width from 40 to 300 µm with a sampling step of 10 µm and a distance between the centers of the strokes of 500 µm was used as a mark in the simulation. The figure shows the results of simulation of systematic AC errors. Arrays of large hollow dots 1-1, 2-2, 3-3 and 4-4 reflect, respectively, the results of modeling a systematic error with calculations on the central stroke of the brand at a distance to the reflector of 50, 500, 1000 and 2000 mm, an array of small dots 5 -5 reflects the variation of the measurement results at four distances with calculations based on the optimal (using the adaptive algorithm) strokes of the mark.

Как видно из рисунка, для данного объектива результаты вычисления угла по центральному штриху ближе к истине при минимальном расстоянии L, однако при его увеличении адаптивный алгоритм показывает более адекватные результаты. Поскольку типичный допустимый диапазон расстояний до КЭ при измерениях превышает, по крайней мере, в несколько раз фокусное расстояние объектива, использование адаптивного алгоритма в целом и в этом случае оказывается предпочтительным. Обратим внимание на хорошее совпадение результатов угловых вычислений по адаптивному алгоритму для разных дистанций (отличия в пределах 1''), что подтверждает сделанный ранее вывод о возможности применения общей поправки для адаптивного алгоритма с целью нивелирования ошибки по краям расширенного диапазона. Вид поправки определяется геометрическими и аберрационными параметрами объектива, т.е. для каждого объектива она индивидуальна. Для данного объектива использование корректирующей поправки позволит уменьшить систематическую ошибку во всем диапазоне до уровня ±0,5".As can be seen from the figure, for this lens, the results of calculating the angle from the central stroke are closer to the truth at the minimum distance L, however, as it increases, the adaptive algorithm shows more adequate results. Since the typical allowable range of distances to the CE during measurements exceeds at least several times the focal length of the objective, the use of the adaptive algorithm as a whole is also preferable in this case. Let us pay attention to the good agreement between the results of angular calculations by the adaptive algorithm for different distances (differences within 1''), which confirms the earlier conclusion that it is possible to apply a general correction for the adaptive algorithm in order to level the error at the edges of the extended range. The type of correction is determined by the geometric and aberration parameters of the lens, i.e. for each lens it is individual. For this lens, the use of a corrective correction will reduce the systematic error over the entire range to the level of ±0.5".

Для АК с описанным 3-х линзовым телеобъективом применение предложенного способа измерений перемещений изображения марки позволяет при расстоянии до отражателя от 50 до 2000 мм расширить диапазон угловых измерений в 60717' ≈ 3,5 раза при уменьшении систематической погрешности в 7''/0,5''=14 раз, при сохранении исходной высокой точности измерений по центру углового диапазона.For an AK with the described 3-lens telephoto lens, the use of the proposed method for measuring the movements of the brand image allows, at a distance to the reflector from 50 to 2000 mm, to expand the range of angular measurements by 60717' ≈ 3.5 times while reducing the systematic error by 7''/0.5 ''=14 times, while maintaining the original high measurement accuracy in the center of the angular range.

Таким образом, применение распределенной марки из растра прозрачных штрихов, ширины которых меняются известным дискретным образом, в сочетании с адаптивным алгоритмом обработки сигналов позволяет существенно расширить диапазон угловых измерений АК - кратность расширения диапазона в зависимости от дистанции до отражателя может составлять до нескольких раз, при обеспечении высокой точности измерений в центральной части диапазона. Неизменный, практически независящий от расстояния до отражателя характер систематической ошибки, позволяет для конкретного объектива АК вводить индивидуальную поправку для уменьшения в несколько раз систематической ошибки угловых измерений в расширенном диапазоне.Thus, the use of a distributed mark from a raster of transparent strokes, the widths of which change in a known discrete manner, in combination with an adaptive signal processing algorithm, allows us to significantly expand the range of angular measurements of the AC - the multiplicity of the range expansion depending on the distance to the reflector can be up to several times, while providing high measurement accuracy in the central part of the range. The constant character of the systematic error, practically independent of the distance to the reflector, makes it possible to introduce an individual correction for a particular AK lens to reduce the systematic error of angular measurements in an extended range by several times.

На нашем предприятии выпущен комплект рабочей документации для изготовления высокоточного однокоординатного автоколлиматора с расширенным диапазоном угловых измерений.Our company has issued a set of working documentation for the manufacture of a high-precision single-coordinate autocollimator with an extended range of angular measurements.

Литература.Literature.

1. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987. 480 с.1. High-precision angular measurements / Ed. SOUTH. Yakushenkova, M.: Mashinostroenie, 1987. 480 p.

2. Скляров С.Н., Семенов О.Б., Щеглов С.Н. Автоколлимационное измерительное устройство. Патент РФ №2491586, приор. от 23.01.2012 г.2. Sklyarov S.N., Semenov O.B., Shcheglov S.N. Autocollimation measuring device. Patent of the Russian Federation No. 2491586, prior. from 23.01.2012

3. Солдатов В.П. Способ для измерения перемещений изображения марки в цифровых автоколлиматорах и устройство для его осуществления. Патент РФ №2602414, приоритет от 10.06.2015 г.3. Soldatov V.P. A method for measuring the movements of the brand image in digital autocollimators and a device for its implementation. Patent of the Russian Federation No. 2602414, priority dated 10.06.2015

4. Бурмистренко В.А., Богданович Э.М., Ванюрихин А.И., Гайлиш Э.П. Устройство для контроля точности автоколлиматоров. Авторское свидетельство СССР №560135, приоритет от 21.07.1975.4. Burmistrenko V.A., Bogdanovich E.M., Vanyurikhin A.I., Gailish E.P. Device for controlling the accuracy of autocollimators. Author's certificate of the USSR No. 560135, priority dated 07/21/1975.

5. Коняхин И.Α., Ворона A.M. Экспериментальные исследования широко-диапазонного автоколлиматора // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, выпуск 18, 2005, стр. 224-227.5. Konyakhin I.A., Vorona A.M. Experimental studies of a wide-range autocollimator // Scientific and technical bulletin of St. Petersburg State University ITMO, issue 18, 2005, pp. 224-227.

6. Пинаев Л.В., Тихомирова Н.Л., Фирсов Н.Т., Пинаева Т.Д., Бакуев А.А. Фотоэлектрическое автоколлимационное устройство. Авторское свидетельство СССР №1737264А1, приоритет от 05.04.1990.6. Pinaev L.V., Tikhomirova N.L., Firsov N.T., Pinaeva T.D., Bakuev A.A. Photoelectric autocollimation device. Author's certificate of the USSR No. 1737264A1, priority dated 04/05/1990.

7. Жуков Ю.П., Ловчий И.Л., Пестов Ю.И., Сергеев В.А., Страдов Б.Г. Малогабаритный двухкоординатный цифровой автоколлиматор // Оптический журнал, т.86, 2019, №8, стр. 29-35.7. Zhukov Yu.P., Lovchii I.L., Pestov Yu.I., Sergeev V.A., Stradov B.G. Small-sized two-coordinate digital autocollimator // Optical journal, vol. 86, 2019, no. 8, pp. 29-35.

8. Авенко М.И., Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 2003. - 591 с.8. Avenko M.I., Zapryagaeva L.A., Sveshnikova I.S. Task book on applied optics: Proc. allowance. - M.: Higher. school, 2003. - 591 p.

Claims (8)

1. Способ измерения перемещений изображения марки в цифровых автоколлиматорах (АК), заключающийся в том, что изображение марки в виде растра штрихов формируют в плоскости многоэлементного приемника излучения, например ПЗС-линейки, отличающийся тем, что марку выбирают в виде растра из N+1 прозрачных параллельных щелей с монотонным дискретным изменением их ширин, ширину растра выбирают не более размера ПЗС-линейки, минимальные ширину щели и расстояние между соседними щелями выбирают в несколько раз больше размера пикселя ПЗС-линейки, идентифицируют изображения щелей марки на ПЗС-линейке, по положениям центров тяжести изображений щелей для каждого k-го изображения щели марки вычисляют ориентировочный угол ϕk разворота отражателя по формуле1. A method for measuring the movements of the brand image in digital autocollimators (AC), which consists in the fact that the brand image in the form of a raster of strokes is formed in the plane of a multi-element radiation receiver, for example, a CCD line, characterized in that the brand is selected as a raster from N + 1 transparent parallel slits with a monotonous discrete change in their widths, the raster width is chosen no more than the size of the CCD line, the minimum width of the slit and the distance between adjacent slits are chosen several times greater than the pixel size of the CCD line, the images of the brand slits on the CCD line are identified by positions centers of gravity of the images of slots for each k-th image of the slot of the brand calculate the approximate angle ϕ k of the turn of the reflector according to the formula
Figure 00000006
Figure 00000006
где:where: δk - сдвиг k-й щели в марке относительно ее центра, мм;δ k - shift of the k-th slot in the brand relative to its center, mm; ЦТk - положение центра тяжести изображения k-й щели на ПЗС-линейке относительно ее центра при развороте отражателя на угол ϕ относительно визирной оси АК, мм;CG k - the position of the center of gravity of the image of the k-th slit on the CCD ruler relative to its center when the reflector is rotated through an angle ϕ relative to the sighting axis of the AK, mm; F - фокусное расстояние объектива АК, мм,F - focal length of the AK lens, mm, для вычисленных ориентировочных углов разворота отражателя определяют среднее значение угла
Figure 00000007
, по величине сдвига δi, ближайшей к произведению F tan
Figure 00000008
, определяют i-ю щель в марке, угол падения световых лучей от которой на отражатель относительно его нормали наиболее близок к 0, вычисленное в соответствии с формулой значение угла ϕi для найденной щели марки используют в качестве величины измеренного угла, для уточнения этой величины применяют корректирующую поправку, определяемую индивидуальными геометрическими и аберрационными параметрами объектива автоколлиматора.
for the calculated approximate angles of turn of the reflector, the average value of the angle is determined
Figure 00000007
, according to the shift value δ i , closest to the product F tan
Figure 00000008
, determine the i-th slot in the brand, the angle of incidence of light rays from which on the reflector relative to its normal is closest to 0, the value of the angle ϕ i calculated in accordance with the formula for the found slot of the brand is used as the value of the measured angle, to refine this value, apply corrective correction determined by the individual geometric and aberration parameters of the autocollimator lens.
2. Устройство для измерения перемещений изображения марки в цифровых автоколлиматорах, содержащее осветитель, марку в виде растра щелевых диафрагм, объектив, отражатель, установленный на контролируемом объекте, ПЗС-линейку, блок опроса ПЗС и электронный блок, отличающееся тем, что растр щелевых диафрагм выбран в виде растра из N+1 прозрачных параллельных щелей с монотонным дискретным изменением их ширин, размер растра выбран не более размера ПЗС-линейки, минимальные ширина щели и расстояние между соседними щелями выбраны в несколько раз больше размера пикселя ПЗС-линейки, блок опроса ПЗС и электронный блок выполнены в виде блока управления и обработки сигналов, определяющего величину измеряемого угла поворота отражателя с учетом корректирующей поправки, заложенной в его память.2. A device for measuring the movement of the brand image in digital autocollimators, containing an illuminator, a brand in the form of a raster of slit diaphragms, a lens, a reflector mounted on a controlled object, a CCD ruler, a CCD interrogation unit and an electronic unit, characterized in that the raster of slit diaphragms is selected in the form of a raster of N + 1 transparent parallel slits with a monotonic discrete change in their widths, the raster size is chosen not to exceed the size of the CCD line, the minimum slit width and the distance between adjacent slits are chosen to be several times greater than the pixel size of the CCD line, the CCD interrogator and the electronic unit is made in the form of a control and signal processing unit that determines the value of the measured angle of rotation of the reflector, taking into account the corrective correction stored in its memory.
RU2021122839A 2021-07-29 Method for measuring the movements of the stamp image in digital autocollimators and a device for its implementation RU2773278C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2773278C1 true RU2773278C1 (en) 2022-06-01

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU568034A1 (en) * 1974-04-15 1977-08-05 Предприятие П/Я В-8337 Photoelectric autocollimator
SU968614A1 (en) * 1980-07-23 1982-10-23 Предприятие П/Я М-5532 Autocollimination photoelectric device
RU2535526C1 (en) * 2013-07-16 2014-12-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (ОАО "НИИ ОЭП") Two-coordinate photoelectric digital autocollimator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU568034A1 (en) * 1974-04-15 1977-08-05 Предприятие П/Я В-8337 Photoelectric autocollimator
SU968614A1 (en) * 1980-07-23 1982-10-23 Предприятие П/Я М-5532 Autocollimination photoelectric device
RU2535526C1 (en) * 2013-07-16 2014-12-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (ОАО "НИИ ОЭП") Two-coordinate photoelectric digital autocollimator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10429183B2 (en) Non-contact coordinate measuring machine using hybrid cyclic binary code structured light
US6288786B1 (en) Digital range sensor system
US8913234B2 (en) Measurement of the positions of centres of curvature of optical surfaces of a multi-lens optical system
CN110207588B (en) Method for assembling and adjusting optical vertex aiming device of pyramid prism
CN100573080C (en) Utilize light-splitting device to realize the Hartmann wave front sensor and the detection method thereof of alignment function
CN109387161A (en) A kind of auto-collimation system
CN101351734A (en) Device and method for focusing a laser light beam
CN114216659B (en) System and method for measuring parallelism of large-caliber long-focal-length optical axis
US20080137061A1 (en) Displacement Measurement Sensor Using the Confocal Principle
CN110779443B (en) Edge sensor for splicing mirror surface based on interference principle and working method thereof
CN110736721A (en) Glass plate refractive index uniformity detection device and detection method based on diffraction grating
CN109580182B (en) Method and device for measuring refractive index of curved optical element based on Brewster's law
RU2773278C1 (en) Method for measuring the movements of the stamp image in digital autocollimators and a device for its implementation
US4792695A (en) Contact-free measuring apparatus having an F-theta-corrected, catadioptric objective and method for using the same
CN116381708A (en) High-precision laser triangular ranging system
CN114526693B (en) Rolling angle measurement method based on non-standard cylindrical angle cone mirror
EP0343158B1 (en) Range finding by diffraction
RU2384812C1 (en) Autocollimator for measuring angle of torque
Nikolaev et al. Methods of calibrating prisms with faces that have no reflective coating, using a dynamic goniometer
RU2461797C1 (en) Device to measure bend of artillery barrel
CN113607385A (en) Inter-sub-mirror position error detection system for splicing main mirror optical system
Lovchy Modeling a broad-band single-coordinate autocollimator with an extended mark and a detector in the form of a linear-array camera
RU2644994C1 (en) Angular-motion transducer
US20080130014A1 (en) Displacement Measurement Sensor Using the Confocal Principle with an Optical Fiber
CN207601409U (en) The laser thickness measuring apparatus of imaging lens and the application imaging lens